Günlük hayatta görülen herşey atomlardan oluşmuştur. Tüm bu atomlar da aynı 3 parçacıktan meydana gelir: Elektronlar, protonlar ve nötronlar. Pek çok açıdan protonlar ile nötronlar birbirlerine benzer. Aynı kuarklardan oluşmuşlardır ve kütleleri neredeyse aynıdır. Fakat nötronlar, çok önemli bir yönden protonlardan farklıdır: Nötronlar kararlı değildir. Atom çekirdeği dışındaki bir nötron, bir kaç dakika içinde başka parçacıklara bozunacaktır.

Peki ya protonlar?

Serbest protonlara evrende sıklıkla rastlanır. Gökadalardaki sıradan maddenin (karanlık madde olmayanların) çoğu hidrojen plazması biçiminde bulunur; yani bağımsız protonlardan ve elektronlardan oluşan sıcak bir gaz şeklindedir. Eğer protonlar nötronlar kadar kararsız olsalardı, bu plazma gün gelip tükenirdi.

Fakat böyle olmuyor. Protonlar ister atom içinde olsun, ister uzayda serbestçe geziniyor olsun; dikkate değer ölçüde kararlı görünüyor. Bozunan bir tekine bile rastlanmadı. Bununla birlikte, fizikte proton bozunumunu yasaklayan herhangi bir şey yok. İşin aslı, kararlı bir proton parçacık fiziği dünyasında istisna olurdu ve çeşitli kuramlar da proton bozunumunu gerekli kılıyor. Eğer protonlar ölümsüz değilse, öldükleri zaman onlara ne olur? Peki bunun atom kararlığı açısında anlamı nedir?

Kurallara uymak

Fiziğin temelinde korunum yasaları vardır; yani enerji, momentum ve elektrik yükü gibi korunan belirli nicelikler bulunur. Ünlü E=mc² denklemi ile ifade edilen enerji korunumu, düşük enerjili parçacıkların yüksek enerjili parçacıklara dönüşebilmesi için dışarıdan enerji almaları gerektiği anlamına gelir. Enerjinin korunumu ile yük korunumunu birlikte düşündüğümüzde, elektronların muhtemelen sonsuza dek kararlı kalacakları sonucuna varırız. Çünkü eksi elektrik yüklü ve daha düşük kütleli bir parçacık bilmiyoruz.

Protonlar üzerinde böyle bir kısıtlama bulunmuyor. Çok sayıda başka parçacıktan daha büyük kütleliler ve kuarklardan yapılmış oldukları gerçeği, onların birkaç farklı yolla ölmelerine izin veriyor. Nötronu ele alırsak, bozunduğunda bir proton, bir elektron ve bir nötrino oluşur. Bozunumda hem enerji hem de elektrik yükü korunur. Nötronun kütlesi, proton ile elektronun toplam kütlesinden birazcık daha fazladır. Elektrik yükü bakımından da, artı yüklü proton ile eksi yüklü elektron dengelenir. Burada nötrino (teknik olarak aslında bir anti-nötrino) diğer bir takım şeyleri dengeler; fakat şimdilik o konulara girmiyoruz.

Atomlar kararlı olduğuna ve hiç bozunan proton görmediğimize göre, belki de proton içsel olarak kararlıdır. Ancak unutmayalım ki, Oklahoma State Üniversitesi'nden Kaladi Babu'nun dikkat çektiği gibi, 'proton korunumu yasası' diye bir şey yok. “Proton bozunursa ne olur, diye soruyorsunuz. Fiziğin temel ilkelerinden herhangi birini ihlal eder mi bu? Yanıt hayır,” diye açıklıyor.

BBK yoksa, ihtişam yok

O halde proton bozunumuna karşı bir kural olmaması, bunun gerçekleşmesini beklememiz için bir neden midir? Evet. Proton bozunumu çok sayıda farklı Büyük Birleşik Kuramın (BBK) en güçlü sınanabilir öngörüsüdür. BBK, doğadaki 4 temel kuvvetten üçünü birleştirir: Elektromanyetizma, zayıf kuvvet ve güçlü kuvvet. Kütleçekim buna dahil edilmez; çünkü onun için bir kuantum kuramı yapılandıramadık henüz.

1970'lerde ortaya atılan ilk BBK başarısızlığa uğradı. Başka şeylerin yanı sıra o kuram, deneylerle gözlemlenebilecek denli kısa bir proton ömrü öngörüyordu; fakat öyle bir gözlem yapılamadı. Buna rağmen büyük birleşik kuram düşüncesi hala parçacık fizikçilerini peşine düşürecek kadar değerliydi. California Üniversitesi Irvine Kampüsü'nden kuramsal fizikçi Jonathan Feng şöyle diyor: “Büyük birleşme kuramı gerçekten güzel ve acayip rastlantılar gibi görünen pek çok şeyi açıklığa kavuşturuyor.”

Feng özellikle süpersimetriyi de (SÜSİ) içeren bir BBK ile ilgileniyor. Süpersimetri, gökadaları birarada tutan görünmez karanlık madde de dahil olmak üzere çok çeşitli görüngüleri açıklama potansiyeli taşıyan bir parçacık fiziği dalı. Süpersimetrik BBK'lar, hoş bir yan etki olarak protonların daha uzun ömürlü olmasını sağlayan, fakat onların bozunmasını da deneyle saptanabilir kılan bazı yeni etkileşimler öngörüyor. Süpersimetrik BBK'lar ile süpersimetrik olmayan BBK'lar arasındaki farklardan ötürü proton bozunum oranının, laboratuvarda alınabilecek süpersimetriye ilişkin ilk sinyal olduğunu vurguluyor Feng.

BBK'lar için süpersimetri bir zorunluluk değil elbette. Babu, süpersimetrik versiyonların avantajlarından pek çoğuna sahip bir BBK'yı beğeniyor. Bu BBK'nın teknik ismi SO(10) ve bu ismi matematiksel yapısının 10 sanal boyutu olmasından alıyor. Bu kuram, nötrino kütleleri gibi Standart Model'de varolmayan önemli özellikler içeriyor ve evrende neden antimaddeden daha fazla madde olduğunu açıklayabilir. Doğal olarak, proton bozunumunu öngörüyor.

Proton bozunumu arayışı

Proton bozunumunun varlığına dayanan çok şey olmasına rağmen, henüz hiçbir protonun öldüğünü görmedik. Bunun nedeni basitçe olayın çok nadir gerçekleşiyor olması olabilir. Bu hipotezin kaynağında hem deney, hem de kuram var. Deneylere göre protonun ömrü 10³⁴ yıldan uzun olmalı. 1'in devamına 34 tane sıfır eklendiğinde elde edilen sayı kadar yani. Düşünün, evrenimiz henüz sadece 13,8 milyar yaşında; kabaca 1'i izleyen 10 tane sıfır var. Protonlar ortalama olarak tüm yıldızlardan, gökadalardan ve gezegenlerden, hatta henüz doğmamışlarından bile daha uzun dayanacak demektir.

Ancak bu son cümledeki anahtar ifade 'ortalama olarak' sözünde gizli. Feng'in dediği gibi, tüm protonlar 10³⁴ yıl yaşayıp, sonra bir anda puf diye bozunmayacaklar. Kuantum fiziği uyarınca tek tek protonların bozunum zamanları tahmin edilemez. Dolayısıyla az da olsa bir bölümü 10³⁴ yıldan çok daha önce bozunur. O zaman yapılacak şey mümkün olduğunca fazla sayıda protonu bir araya toplayıp gözlemlemektir. Proton sayısı ne kadar artarsa, gözlemleme olasılığı da o kadar yüksek olur.

İkinci önemli adım ise deneyi, proton bozunumunu taklit edebilecek parçacıklardan yalıtmaktır. O nedenle gerçekçi bir proton bozunum deney düzeneğinin mutlaka yerin derinliklerinde kurulması gerekir. Japonya'da bulunan Super-Kamiokande deneyinde de böyle yapılmış, bir maden içindeki dev tanka 50.000 ton su koyulmuştur. Hazırlanmakta olan Derin Yeraltı Nötrino Deneyi (Deep Underground Neutrino Experiment - DUNE) ise Güney Dakota'da bulunan eski bir altın madeninde kurulacak ve 40.000 tonluk sıvı argon kullanacak.

Bu iki deney iki farklı tür atomu temel aldığı için farklı proton bozunum yöntemlerine duyarlı olacaklar. Böylece hangi BBK'nın doğru olduğunu ortaya çıkarabilecekler; tabi varolan modeller arasında doğru olan herhangi biri varsa. Aslında bu deneylerin her ikisi de öncelikle nötrino araştırma amaçlı; ancak Feng proton bozunumu konusunun da ilgi alanlarında olduğunu ekliyor. Sonuçta proton bozunumu evrenin işleyişine ilişkin en derin kavramlardan kaynaklanıyor. Eğer protonlar bozunuyorsa, bu o kadar nadirdir ki bedenlerimiz üzerinde hiçbir etkisi olmaz. Ama anlayışımız üzerinde etkisi olur. Bu bilginin üzerimizde yaratacağı etki çok köklü olabilir ve biraz kararsızlığa değer.